紫外可见光谱与荧光光谱课件课件精选课件.ppt
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1、关于紫外可见光谱与荧光光谱课件第一页,本课件共有72页主要内容光谱产生的原理光谱仪的基本构造光谱分析的应用光谱仪的操作方法第二页,本课件共有72页光谱的产生:辐射跃迁光吸收和光发射分子的电子光谱:通过光与分子的相互作用,基态分子吸收光跃迁到电子激发态和电子激发态发射光跃迁到基态的光物理过程吸收光谱发射光谱(紫外可见吸收光谱)(荧光光谱、磷光光谱)分子的电子吸收光谱和电子发射光谱为电子激发态的结构、能学和动态学的研究提供了重要的信息第三页,本课件共有72页(1)光谱的产生光是什么?分子为什么会/能吸收光?光谱产生的原理光谱产生的原理光谱产生的原理光谱产生的原理第四页,本课件共有72页图:电磁波(
2、一个小的有机分子的“尺寸”比一个波长要小得多)作为电磁波:可对带电粒子(例如电子与核)和磁偶极子(如电子自旋和核自旋)施加电力和磁力光是一种电磁波,可以看成是由在光传播方向上互相垂直的两个平面上相互作用的交变电场与交变磁场组成的。第五页,本课件共有72页光与分子的相互作用看作是振荡偶极子(电子)和辐射场(振荡电场)产生的一种能量交换过程。偶极子理解光与分子相互作用的关键概念是:光的振荡电场可以使电子运动,也就是被激发的电子表现得象是一个振荡的偶极子。这种偶极子的振荡相当于化学键中的电子相对于物质中带正电的原子核的运动,也就是电子围绕分子的核骨架振动。第六页,本课件共有72页在分子的电子云中任一
3、给定点,光波引起的电场强度变化将是时间的函数即:零(吸引)最大值零(产生一个相反的场)(排斥)最大值零重合(正、负电中心)分开图:电场诱导产生偶极矩00ii净效应:瞬时偶极矩偶极矩第七页,本课件共有72页光与分子之间的相互作用取决于共振能量:EE h=hc/光子能量:E=hv h:普朗克常数6.62617610-34焦耳秒v:频率c:光速:波长电子能级的一个基本特点:能级量子化电子的跃迁能级差约为120eV,比分子振动能级差要大几十倍kT=25meV体系热能的标度E第八页,本课件共有72页电子跃迁所处的波长范围(能量)电子跃迁类型:电子跃迁类型:(1)*跃迁跃迁 指处于成键轨道上的指处于成键轨
4、道上的电子吸收光子后被激发跃迁到电子吸收光子后被激发跃迁到*反键轨道反键轨道(2)n*跃迁跃迁 指分子中处于非键轨道上的指分子中处于非键轨道上的n电子吸收能量后向电子吸收能量后向*反键轨道的跃迁反键轨道的跃迁(3)*跃迁跃迁 指不饱和键中的指不饱和键中的电子吸收光波能量后跃迁到电子吸收光波能量后跃迁到*反键轨道。反键轨道。(4)n*跃迁跃迁 指分子中处于非键轨道上的指分子中处于非键轨道上的n电子吸收能量后向电子吸收能量后向*反键轨道的跃迁。反键轨道的跃迁。第九页,本课件共有72页(2)光吸收与光发射光谱相关的一些基本概念你做过吸收和发射光谱吗?你为什么要做吸收和发射光谱?你理解的吸收和发射光谱
5、是什么?第十页,本课件共有72页吸收光谱与测试吸收光谱与测试一个基态分子M吸收能量为h的一个光子,使占据轨道的一个电子跃迁到空轨道而处于电子激发态M*,这种光激发过程可表示为 MhM*通过吸收光谱的测定,可以确定与跃迁相关的两个轨道的能级间隔。第十一页,本课件共有72页吸收光谱吸收光谱以被吸收的光子的能量(波长、波数和能量eV)为横坐标,吸光度D或、log为纵坐标,给出分子对具有不同能量光子的吸收给出分子对具有不同能量光子的吸收特性特性。被吸收的光子能量等于激发态的能量。吸光度被吸收的光子的能量(波长、波数和能量eV)第十二页,本课件共有72页:摩尔消光系数。是评价物质吸收光的能力的重要物理量
6、I0:入射光强度I:透射光强度是分子的一个基本性质,与物质的种类和入射光的波长有关,不依赖于浓度和光程长度。其大小与跃迁是否满足选择定则密切相关.Lambert定律定律指出:被透明介质所吸收的入射光的百分数与入射光的强度无关。(激光光源除外)Beer定律定律指出:被吸收的光的量正比于光程中吸光分子的浓度。LambertBeer定律定律I=I010clA=log(I0/I)=cl(稀溶液)A:吸光值第十三页,本课件共有72页(2)能量吸收光谱通常用吸收光的波长(nm)、波数(cm1)或光子能量(eV)表示激发态能量。波长通常用峰值波长max(nm),有时也可采用带边波长edge(nm)表示。波长
7、、波数和eV之间能量换算关系如下:(cm1)=1/(cm)=1107/(nm)E(eV)=1240/(nm)OD=log(I0/I)(1)吸光度(absorbance)或光密度(opticaldensity)OD=2=0.011%transmitanceor99%absorbance98%transmitanceor2%absorbance第十四页,本课件共有72页吸收光谱用峰值的值或者用谱带的积分强度表示吸收强度吸收强度。用于表示这种积分强度的物理量是振子强度振子强度(oscillatorstrength):=4.32109d 4.32109max1/2 式中max为峰值摩尔消光系数,1/2
8、为半峰宽。积分吸收强度与描述电子跃迁的基本理论单位振动强度有关,最大允许的跃迁强度的数值为1。应用这个方程式可以计算任何一个吸收带的振动强度,并且可以将这个计算至与1比较,来判断产生这一能带的电子跃迁是允许的还是禁阻的。第十五页,本课件共有72页一些基本概念(1)发色团(Chromophoricgroup):分子中能吸收紫外光或可见光的结构系统叫做发色团或色基。象C=C、C=O、CC等都是发色团。发色团的结构不同,电子跃迁类型也不同。(2)助色团(Auxochromicgroup):有些原子或基团,本身不能吸收光波,但它与一定的发色团相连时,则可使发色团所产生的吸收峰移动,这样的原子或基团叫做
9、助色团。如:-OH、-NH2、-SH及一些卤素等。第十六页,本课件共有72页红移和蓝移有机化合物的吸收谱带常有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长剂使最大吸收波长max和吸和吸收强度发生变化收强度发生变化:max向长波方向移动称向长波方向移动称为为红移红移,向短波方向移动称,向短波方向移动称为为蓝移蓝移蓝移蓝移 (或紫移或紫移)。吸收强度。吸收强度即摩尔吸光系数即摩尔吸光系数增大或减增大或减小的现象分别称为增色效小的现象分别称为增色效应或减色效应,如图所示。应或减色效应,如图所示。第十七页,本课件共有72页吸收光谱的测定装置示意图:光源发射的多波长连
10、续光经过单色仪分光,按波长顺序进入样品池,透过样品池的透射光用光电倍增管和光子计数器测定强度,用计算机控制操作并处理数据。在双光路系统中,一个光路上为溶剂池,另一个光路上为样品池,经过单色仪的单色光交替透过两个吸收池测得log(I0/I)随波长的变化。吸收光谱仪吸收光谱仪第十八页,本课件共有72页双光路分光光度计的光学系统机械转动P使单色光以从长波到短波波长顺序连续通过出射狭缝(S2)长波区:钨灯(3402500nm)短波区:氘灯(185360nm)石英棱镜反射镜样品池参比池光电倍增管(PbS光电池长波)第十九页,本课件共有72页实验操作相关吸收池吸收池有石英池和光学玻璃池,石英池在紫外-可见
11、区和近红外区的透过率很高,可测紫外-可见吸收光谱和近红外吸收光谱,光学玻璃在紫外区有吸收,不能用来测定紫外区吸收光谱。(区分吸收池)各种有机溶剂有机溶剂在紫外区有吸收,吸收端波长(nm)如下:乙腈(190)、水(191)、戊烷(190)、己烷(195)、异辛烷(197)、环己烷(198)、甲醇(203)、乙醇(204)、乙醚(215)、二氯甲烷(230)、四氢呋喃(235)、氯仿(245)、乙酸(251)、乙酸乙酯(254)、四氯化碳(266)、DMF(270)、苯(278)、甲苯(285)、四氯乙烯(290)、吡啶(305)、二硫化碳(380)和CH3NO2(380)。这些吸收带的长波区是溶
12、剂透过光的可利用的光谱区。溶剂的极性对于吸收带的位置产生影响。(纯化溶剂)第二十页,本课件共有72页光致电子激发态是很活泼的可以经过分子内辐射与无辐射跃迁回到基态,还可以与猝灭剂进行分子间能量转移、电子转移和化学反应而猝灭。?发射光谱与测试发射光谱与测试第二十一页,本课件共有72页荧光光谱法基本原理荧光光谱法基本原理 分子的激发与失活分子的激发与失活分子的多重态分子的多重态单单重重态态:一一个个所所有有电电子子自自旋旋都都配配对对的的分分子子的的电电子子状状态态。大大多多数数有有机机物物分分子子的的基基态态是是单单重重态态。当当基基态态一一对对电电子子中中的的一一个个被被激激发发到到较较高高能
13、能级级,其其自自旋旋方方向向不不会会立立刻刻改改变,分子仍处于单重态。变,分子仍处于单重态。三重态:三重态:有两个电子的自旋不配有两个电子的自旋不配对而平行的状态。激发三重态能对而平行的状态。激发三重态能量较激发单重态低。量较激发单重态低。第二十二页,本课件共有72页Jablonski diagram发射光谱发射光谱磷光光谱磷光光谱荧光光谱荧光光谱无辐射跃迁无辐射跃迁振动弛豫:内转换:系间窜越:外转换:荧光荧光磷光磷光第二十三页,本课件共有72页荧光光谱有荧光发射谱和荧光激发谱测定荧光发射谱荧光发射谱时,利用激发单色仪固定固定激发光的波长ex,这时只有具有ex波长的光子进入样品池,使基态分子M
14、处于M*。M*发射的光用发射单色仪分光,给出发射光的强度随波长变化曲线。测定荧光激发谱荧光激发谱时,选择发射谱中的某个发射波长发射波长em作为观测波长,测定不同波长的激发光对发射观测波长的贡献。发射光荧光光谱仪荧光光谱仪第二十四页,本课件共有72页激发光谱和荧光光谱激发光谱和荧光光谱 荧光光谱的特点:荧光光谱的特点:斯托克斯位移(斯托克斯位移(Stokes shift)。与激发。与激发光谱相比,荧光光谱的波长总是出现在光谱相比,荧光光谱的波长总是出现在更长的波长处;更长的波长处;荧光光谱与激发波长无关。无论用荧光光谱与激发波长无关。无论用=250和和350nm作激发光源,所得荧光光谱形状和峰作
15、激发光源,所得荧光光谱形状和峰的位置都是相同;的位置都是相同;吸收光谱与发射光谱大致成镜像对称。吸收光谱与发射光谱大致成镜像对称。Em:ex202 ex20Ex:em/220 em 20第二十五页,本课件共有72页(3)吸收光谱和发射光谱的形状Eh你所见到的吸收光谱和发射光谱:“锐线”?为什么不是与吸收的光或发射的光的频率有关的“锐线”?第二十六页,本课件共有72页AbsEmA原子B具有分立的支态的分子C具有不可分辨的支态的分子锐线光谱带振动结构宽带光谱低压气相原子低压气相刚性分子溶剂分子典型例子第二十七页,本课件共有72页紫外吸收光谱的应用紫外吸收光谱的应用物质的紫外吸收光谱基本上是其分子中
16、生色团及助色团的特征,而不是整个分子的特征。如果物质组成的变化不影响生色团和助色团,就不会显著地影响其吸收光谱,如甲苯和乙苯具有相同的紫外吸收光谱。另外,外界因素如溶剂的改变也会影响吸收光谱,在极性溶剂中某些化合物吸收光谱的精细结构会消失,成为一个宽带。所以,只根据紫外光谱是不能完全确定物质的分子结构,还必须与红外吸收光谱、核磁共振波谱、质谱以及其他化学、物理方法共同配合才能得出可靠的结论。第二十八页,本课件共有72页1化合物的初步鉴定利用紫外光谱可以推导有机化合物的分子骨架中是否含有共轭结构体系,如CCCC、CCCO、苯环等。利用紫外光谱鉴定有机化合物远不如利用红外光谱有效,因为很多化合物在
17、紫外没有吸收或者只有微弱的吸收,并且紫外光谱一般比较简单,特征性不强。利用紫外光谱可以用来检验一些具有大的共轭体系或发色官能团的化合物,可以作为其他鉴定方法的补充。第二十九页,本课件共有72页如果一个化合物在紫外区是透明的,则说明分子中不存在共轭体系,不含有醛基、酮基或溴和碘。可能是脂肪族碳氢化合物、胺、腈、醇等不含双键或环状共轭体系的化合物。如果在210250nm有强吸收,则可能含有两个双键的共轭体系,如共轭二烯或,-不饱和酮等。同样在260,300,330nm处有高强度吸收带,在表示有三个、四个和五个共轭体系存在。如果在260300nm有中强吸收(2001 000),则表示体系中可能有苯环
18、存在。如果苯环上有共轭的生色基团存在时,则可以大于10 000。如果在250300nm有弱吸收带则可能含有简单的非共轭并含有n电子的生色基团,如羰基等。第三十页,本课件共有72页2纯度检测如果有机化合物在紫外可见光区没有明显的吸收峰,而杂质在紫外区有较强的吸收,则可利用紫外光谱检验化合物的纯度。如果有机化合物在紫外可见光区没有明显的吸收峰,而杂质在紫外区有较强的吸收,则可利用紫外光谱检验化合物的纯度。第三十一页,本课件共有72页在相同条件下配制样品溶液和标准溶液,在最佳波长最佳处测得二者的吸光度A样和A标,进行比较,按式计算样品溶液中被测组分的浓度。2.1比较法第三十二页,本课件共有72页2.
19、2标准曲线配制一系列不同浓度的标准溶液,在最佳处分别测定标准溶液的吸光度A,然后以浓度为横坐标,以相应的吸光度为纵坐标绘制出标准曲线,在完全相同的条件下测定试液的吸光度,并从标准曲线上求得试液的浓度。该法适用于大批量样品的测定。第三十三页,本课件共有72页3定量分析朗伯-比尔定律朗伯-比尔定律是紫外-可见吸收光谱法进行定量分析的理论基础,它的数学表达式为:A=l c第三十四页,本课件共有72页4氢键强度的测定溶剂分子与溶质分子缔合生成氢键时,对溶质分子的UV光谱有较大的影响。对于羰基化合物,根据在极性溶剂和非极性溶剂中吸收带的差别,可以近似测定氢键的强度。溶剂分子与溶质分子缔合生成氢键时,对溶
20、质分子的UV光谱有较大的影响。对于羰基化合物,根据在极性溶剂和非极性溶剂中吸收带的差别,可以近似测定氢键的强度。第三十五页,本课件共有72页紫外/可见光谱在蛋白质研究中的应用浓度测定构象变化研究相互作用研究第三十六页,本课件共有72页蛋白质主链的紫外吸收肽键在250nm的远紫外区有较大吸收第三十七页,本课件共有72页蛋白质浓度测定190nm10000l/mol.cm190nm比280nm大100倍但溶剂吸收也较大第三十八页,本课件共有72页溶剂的吸收第三十九页,本课件共有72页蛋白质中氨基酸的紫外吸收光谱1mM0.1mM0.1mM二硫键在250 nm附近有弱吸收色氨酸酪氨酸苯丙氨酸第四十页,本
21、课件共有72页第四十一页,本课件共有72页确定蛋白质的消光系数可以根据蛋白质序列预测蛋白质的消光系数ProtParam:http:/cn.expasy.org/tools/protparam.html第四十二页,本课件共有72页Tyr的吸收谱与pH有关pHtitrationcanbeusedtodetermine-whetherTyrisinternalorexternal-polarityofenvironmentmax at pH 6:274 nmmax at pH 13:295 nm第四十三页,本课件共有72页蛋白质构象变化研究Absorption spectra of Poly-L-L
22、ys HCl:random coil at pH 6.0,25C(bold);-Helix at pH 10.8,25C(dotted);-strand at pH 10.8,52C(dashed).第四十四页,本课件共有72页蛋白质折叠/变性研究核糖核酸酶第四十五页,本课件共有72页荧光法的应用荧光法的应用荧荧光光法法灵灵敏敏度度高高,检检测测限限比比吸吸收收光光谱谱法法低低13个个数数量量级级,可可用于痕量分析。用于痕量分析。选择性好,由于能发生荧光的化学体系不多。选择性好,由于能发生荧光的化学体系不多。线性范围宽。线性范围宽。应用范围不如吸收光谱法广,因为有的分子不发荧光。应用范围不如吸
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